Úvod do biomedicínské informatiky Počítačová cvičení 2008/09

Reprezentace biosignálů medicínských obrazů Co je to biosignál: signál, který reprezentuje děje v biologickém systému Dělení biosignálů: elektrické – snímají se elektrodami neelektrické – snímače převádějí neelektrickou veličinu (fyzikální, chemickou,…) na elektrický signál

Elektrické biosignály Označení signálu Název signálu Zdroj signálu AP akční potenciál buňka EKG (ECG) elektrokardiogram skupina srdečních buněk EGG elektrogastrogram svalovina žaludku EEG elektroencefalogram skupina nervových buněk EMG elektromyogram skupina svalových buněk EOG elektrooculogram dipól (rohovka – sítnice) ECoG elektrocochleogram neurony v hlemýždi

Neelektrické biosignály Měřená veličina Název metody Zdroj signálu Krevní tlak auskultační, oscilometrická, Peňázova,… průtok krve cévou Srdeční ozvy fonokardiografie otevírání a uzavírání srdečních chlopní Okysličení krve oximetrie množství kyslíku v krvi Plicní objemy spirometrie

Akční potenciál

EKG (1) Typicky 12 svodů: - 6 unipolární hrudní svody V1 – V6 - 3 bipolární Einthovenovy svody (I, II, III) - 3 unipolární Goldbekerovy svody (aVL, aVR, aVF) Velikost signálu: 0,5 až 4 mV

EKG (2) P vlna – depolarizace síní, 0 – 3 mV, do 100 ms; P-R segment – do depolarizace komor, 120 až 200 ms; Q vlna – negativní, 0 – 25 % R vlny, do 30 ms; R vlna – několik mV, do 100 ms; S vlna – 0 až 0,8 mV, do 50 ms; QRS – depolarizace komor; S-T segment – pokles nebo vzrůst do 0,1 mV; Q-T interval – elektrická systola, kolem 400 ms; T vlna – repolarizace komor, do 8,8 mV, od 100 do 250 ms; U vlna – malá pozitivní výchylka, někdy měřitelná po T vlně;

EKG (3) Na internetu lze najít spoustu materiálu o fyziologii srdce, vysvětlení EKG a jednotlivých částí, srdeční funkce……… http://www.cvphysiology.com/Arrhythmias/A009.htm

Rozložení frekvenčních složek v EKG Průběhy EKG jsou zaznamenávány do obsáhlých knihoven, kde jsou dokumentovány fyziologické změny s jejich lékařským popisem a projevy v EKG záznamu. Příklady databáze naleznete zde: http://www.ecglibrary.com http://ecg.mit.edu Reprezentace EKG pomocí vektorkardiogramu je zobrazena názorně zde: http://medstat.med.utah.edu/kw/ecg/animations/ecg.html

Zpracování EKG Zpracování EKG: - filtrace šumu (drift izolinie, síťového rušení, myopotenciály) - vratná a nevratná redukce dat Analýza EKG: - detekce významných vln (QRS komplex), diagnosticky významných parametrů (R-R interval) a jejich určení - analýza variability činnosti srdce – srdeční rytmus (př.: sledování frekvenčních změn u hypertenze a v rámci zátěžového testu)

EEG (1) ElektroEncefaloGrafie – záznam elektrické aktivity mozku nejčastěji se snímá z povrchu hlavy (neinvazivní) přímé měření z kůry mozkové pomocí vpichových elektrod (elektrokortikogram) snímaný signál vznikl superpozicí signálů od všech neuronů - pro diagnostiku epilepsie, poruch spánku, poruchy hlouby vědomí, účinky farmak,… EEG - vlastnosti v časové a frekvenční doméně, typické grafoelementy, šum a signálové artefakty, metody jejich odstranění, zobrazení aktivity mozku, průběhy signálu, způsob snímání, frekvenční rozsahy lze najít např. zde: http://www.forenap.asso.fr/pages/eeg/eeg8.htm

EEG (2) Rozdělení EEG signálu (empirické): Delta vlny – 0,5 až 4 Hz, pod 100 mV, centrální oblast mozku, spánek Theta vlny – 4 až 8 Hz, pod 100 mV, centrální oblast mozku, spánek Alfa vlny – 8 až 13 Hz, pod 10 mV, v posteriorní části mozku, zavřené oči ale bez spánku Beta vlny – 13 až 22 Hz, pod 20 mV, celý mozek (především centrální část), aktivita Gama vlny – 22 až 30 Hz i více, pod 2 mV, vysoká pozornost, senzorická stimulace

EEG (3)

EMG (1) ElektroMyoGrafie – snímání elektrické aktivity svalů - z povrchu těla (povrchové elektrody, signál je ze skupiny svalových vláken) - zevnitř svalu (vpichové elektrody, signál z definovaného místa, vyšší citlivost) Elektromyografické signály, vznik, snímání, parametry, případné zpracování je uvedeno na: http://www.univie.ac.at/cga/courses/be522/emg

EMG (2)

EOG ElektroOculoGram – oko je považováno jako dipól – rohovka je kladná oproti sítnici - pro diagnostiku degenerace sítnice, toxinů ovlivňujících vidění

Medicínské obrazy Dělení medicínských obrazů: - fotografie - RTG – konvenční rentgen - CT – výpočetní RTG tomografie - NMR – nukleární magnetická rezonance - UTZ - ultrazvuk - IR – infračervená termografie - planární gamagrafie - PET – (dvoufotonová) pozitronová emisní tomografie - SPECT – jednofotonová emisní výpočetní tomogtafie

Fotografie Nejjednodušší medicínský obraz. např.: fotografie oční rohovky pro detekci vzoru kolem duhovky nebo pro rozpoznání osoby fotografie očního pozadí pro diagnostiku slepé a žluté skvrny, očních cév a nervů

RTG snímek

CT obraz

CT obraz

Magnetická rezonance

Ultrazvuk

Termokamera 1 2

Planární gamagrafie

SPECT

PET

Srovnání